山西測震臺網地震計工作狀態檢測及故障原因分析

劉林飛,宮卓宏,梁向軍,殷偉偉,高云峰

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震觀測儀器的運行狀態直接影響產出數據的連續性與可靠性。山西數字測震臺網已運行多年，臺站觀測設備老化，儀器故障逐年增多，要求提高維護人員對儀器設備故障的早期判斷力，以便及時排除故障，減少觀測儀器的斷記率，保證儀器設備的正常運轉。

在地震觀測系統中，地震計是檢測地震信號的關鍵設備,其工作性能、狀態直接影響地震觀測數據的質量。地震計作為機電一體化的高精密儀器，經過長時間連續工作及受工作環境等外界因素的影響，設備內部的機械部分易出現彈簧變形、電子元器件老化和線圈的靈敏度改變，對地震計工作周期和阻尼等各項性能參數造成不同程度的變化，影響其性能。在儀器日常維護中，必須定期對地震計進行脈沖標定檢測,將標定結果與出廠標準參數作對比分析，檢查地震計的工作穩定性，及時發現異常狀態，做好測震臺網運行維護保障工作，為地球物理學研究和地震監測預測提供可靠的觀測數據。

1 地震計工作周期和阻尼的測定原理(1)北京港震機電技術有限公司．數字地震儀參數測定軟件使用說明書，2008．

1.1 地震計阻尼常數的測定[1-2]

地震計阻尼常數的測量方法是應用地震計的階躍響應記錄脈沖標定波形，通過測量脈沖標定波形的幅度來計算地震計阻尼。由擺的自由衰減過程可以知道，擺自由衰減振動的幅度y和系統阻尼D的關系，可以用半個周期(即T1/2時間)中2個相鄰的振幅比v來表示：

(1)

式中：yk為自由衰減振動第k個峰值幅度;yk+1是第k+1個峰值幅度。為便于計算，做如下的變換：

(2)

從(2)式得出：

(3)

用以10為底的對數計算，引入

λ10=lgv=λlge，

(4)

得出地震計系統的阻尼為：

(5)

從第39頁圖1中脈沖標定波形看出，隨著阻尼的變大，y2值在變小。在數字地震波形記錄上，可以較準確地測量y1和y2的值，并計算出阻尼值DS。

1.2 地震計周期的測定原理[1-2]

地震計周期分為工作周期和固有周期(自振周期)，工作周期的測定可以采取直接測量T1/2的周期(見圖1)。從擺的運動方程可以知道衰減振動的阻尼Ds<1，衰減運動的周期是：

(6)

圖1 脈沖標定響應曲線圖Fig.1 Pulse calibration response curve

(7)

式中：TS=2π/ω為擺的固有周期。從式(6)可以看出，有阻尼衰減運動的周期T1要比擺的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有當DS=0時，擺的自由振動是無衰減的，即T1=TS。所以，可通過測量有阻尼衰減運動的周期，用上述公式計算出擺的固有周期TS。

1.3 地震計周期和阻尼變化率的計算

(8)

(9)

2 地震計工作周期和阻尼的年度變化分析研究

2.1 臺站標定資料選取

山西數字測震臺網由32個臺站組成，其中,28個臺站采用寬頻帶地震計，4個臺站采用甚寬頻帶地震計，配套使用24位CMG-DM24、EDAS-24GN和EDAS-24IP數據采集器。選取時間范圍從2016年1月至2018年11月的脈沖標定波形數據進行歸納分析，32個觀測臺站場地臺基類型、地震計和數采配置等情況如表1所示。

2.2 脈沖標定方法計算結果統計分析

測震臺站脈沖標定采用地震計和數據采集器等設備來實現。通常的方法是由數據采集器產生標定電流信號，輸入到地震計的標定線圈產生模擬地面運動的信號，對記錄到的信號通過傳遞函數求解得到地震計的周期和阻尼。通常采用地震計儀器廠家配套的標定軟件對表1各臺站進行脈沖標定，使用國內常用的EDSP-IAS或MSDP波形處理軟件檢查波形是否符合規范，再通過北京港震公司標定軟件EDSP-CAL對截取的脈沖標定波形數據進行計算，統計分析標定結果，結合實際維護經驗對各臺站地震計的周期和阻尼值變化情況做細致研究。

表1 測震臺站基本情況表Table 1 Basic information of seismic stations

為分析各臺站地震計近幾年的整體工作運行狀況，研究各臺站從2016年1月至2018年11月地震計的周期和阻尼年變化情況。選取安澤、代縣、靈丘、太谷4個臺站，對三年的脈沖標定波形進行計算，并繪制變化圖(見第40頁圖2、圖3)。從圖中看出，周期和阻尼變化不大，周期穩定在60 s，阻尼穩定在0.707附近，符合儀器生產廠家的設定參數，表明地震計儀器運行狀態穩定。

下面主要針對部分臺站地震計存在的異常狀態，選取具有代表性的故障進行舉例，分析說明(見第40頁圖4～第41頁圖9)。

襄垣臺屬于地表型基巖觀測場地，日溫差變化大，從圖4和圖5看出，襄垣臺BBVS-60寬頻帶地震計在此時間段的運行狀態，地震計NS向周期值和阻尼值從2016年1月開始出現波動較大的現象，11月標定時地震計NS向數值異常，周期明顯偏大，變化率最大達到13.48%；阻尼明顯偏小，變化率最大達到19.60%。同時，UD向周期也明顯偏小。NS向和UD向均超出規范要求，維護人員多次對地震計進行現場斷電、重新加電、調零、鎖擺、開擺、更換數采等操作后仍不能解決問題。于12月更換地震計，目前地震計工作狀態穩定。通過與廠家維修人員聯系，得知地震計故障由內部調零馬達損壞及簧片老化等因素造成。

圖2 周期年變化曲線圖 圖3 阻尼年變化曲線圖Fig.2 Cycle annual change rateFig.3 Annual change rate of chart of Xiangyuan stationdamping at Xiangyuan station

圖4 襄垣臺周期年變化率圖Fig.4 Cycle annual change rate chart of Xiangyuan station

圖5 襄垣臺阻尼年變化率圖Fig.5 Annual change rate chart of Xiangyuan station damping

長治臺為地表型基巖觀測場地，觀測儀器配置BBVS-60寬頻帶地震計，受溫度變化影響較大。地震計工作周期和阻尼年變化如圖6、圖7所示，在2016年1月開始出現三個分向標定周期偏大，變化率最大達到3.6%，周期和阻尼變化在正常范圍之內。在2017年1至2月脈沖標定時，三個分向阻尼變化率最大達到6.65%，周期雖處在正常變化范圍，分析認為儀器處于隱形帶病工作的不穩定狀態。3月后脈沖標定結果正常，表明儀器暫時工作正常，但處于非穩定狀態，因備件庫無同型號的地震計，所以繼續使用。當備件庫有該型號的地震計后，在2018年5月進行更換，脈沖標定計算結果顯示周期和阻尼變化明顯變小，地震計運行狀態穩定。目前拆卸的地震計已寄回華北片區維修中心。

圖6 長治臺周期年變化率圖Fig.6 Periodic annual change rate chart of Changzhi station

圖7 長治臺阻尼年變化率圖Fig.7 Annual change rate of damping at Changzhi station

霍州臺地震觀測儀器配置CMG-3ESPC-60寬頻帶地震計，分別繪制周期和阻尼年變化圖，從圖8、圖9看出，在2016年9月，地震計三個分向同步出現標定周期明顯偏小，變化率最大達到15.02%；阻尼明顯偏小，變化率最大達到40.30%，超出了規范要求。維護人員多次嘗試對地震計進行現場斷電、重新加電、調零、鎖擺、開擺、更換新數采和通信單元等操作后，仍不能解決上述問題。有了備件后，在2017年4月更換地震計，目前地震計工作狀態穩定。綜合分析認為，臺站周期和阻尼單方向漂移的原因可能為地震計使用時間較長，內部關鍵電子元器件老化。在2017年5月寄回華北片區維修中心，從英國儀器廠家反饋的維修記錄來看故障原因基本一致。

圖8 霍州臺周期年變化率圖Fig.8 Cycle annual change rate chart of Huozhou station

圖9 霍州臺阻尼年變化率圖Fig.9 Annual change rate chart of Huozhou station damping

2.3 引起周期和阻尼變化的原因分析

山西數字測震臺網的大部分臺站建在山區且為地表型，觀測室日溫差變化較大，少數臺站濕度較大。為解決地震計的保溫和隔潮，定制了一批密封保溫桶安裝在臺站，在一定程度上緩解了外界環境變化對儀器的影響，但仍有部分臺站的地震計工作周期和阻尼出現在正常范圍內的動態變化，個別臺站的地震計工作周期和阻尼有上下突跳。少部分臺站觀測場地建在山洞中，基本不受外界環境影響，日溫差較小，地震計工作狀態相對穩定，周期和阻尼變化小。

山西數字測震臺網使用力平衡電子反饋式地震計，反饋地震計阻尼主要由兩部分組成[1-2],即機械結構和反饋網絡阻尼。機械阻尼的變化一方面受擺的具體結構因素影響，在地震計制造商組裝過程中存在技術問題和元件參數不過關[1-2]。如，地震計彈性簧片的溫度系數變化大；機械阻尼另一方面易受外部環境的影響，表現為雙向漂移。反饋網絡產生的阻尼主要取決于內部電子元件的質量，通常對總阻尼變化的影響概率較小，且變化是單向漂移。如果發生關鍵電子元件(特別是反饋網絡的溫度補償電路)的損壞，工作周期和阻尼偏差也會較大。一般認為，機械阻尼的變化是導致工作周期和阻尼偏移的主要原因[1-2]。

3 結論與討論

通過對臺站脈沖標定波形計算結果的統計分析，得出外部環境溫濕度的變化和內部元件的老化會導致地震計周期和阻尼的變化。地表基巖臺站受到的影響大于山洞臺站。在平時脈沖標定中，如發現周期和阻尼存在雙向漂移變化，則粗略地確定地震計故障是由外部環境的變化引起;如屬于單向漂移變化，則考慮內部電子元器件老化和地震計機械部件等原因。

通過分析幾次典型故障產生的原因，提出用定期脈沖標定方法來檢測地震計工作狀態的思路。在日常臺網儀器運維中，使用此方法對臺站地震計的工作狀態進行預評估，可及時發現存在異常的地震計，減少由突發故障導致觀測數據斷記，提高臺網運行率，產出高質量的觀測數據。同時，研究結果也為測震臺站維護人員提供一些可借鑒的經驗。